风力发电行业分析报告

开发基于工控机和PLC的600KW风力发电机组的控制器控制风力发电分析报告风能：资源丰富的可再生能源风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。虽然到达地球的太阳能只有2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。据估算，地球上的风能资源是水能资源的10倍，高达53万亿千瓦时/年。即使，2020年全球的的电力需求增长至25-30亿千瓦时/年，从纯技术的角度，只要利用地球上50%的风能就能够满足全球的电力需求。图1：全球风力资源分布资料来源：世界风能展望我国风能资源状况我国初步探明风电资源在陆上约为2.53亿千瓦，沿海估计为7.5亿千瓦，总计约为10亿千瓦，但这一风电资源仅计及10米低空范围的风能，如果扩展到50～60米以上高空，将至少再扩展一倍，亦即可期望有20～25亿千瓦的风力资源。如果其中2／3的份额被开发，将可达到水电资源的4倍以上，开发前景十分广阔。从我国风电资源分布看，利用小时最高的地区集中在东北，内蒙，新疆，西藏和沿海地区，西南和中部风资源相对较为贫乏。图2：我国风资源按年利用小时的分布2006年是我国实施《可再生能源法》的第一年，风电建设步伐明显加快。国家发改委日前公布的数据显示，据不完全统计，到2006年底，全国已建成约91个风电场，装机总容量达到约260万千瓦，比2005年新增装机134万千瓦，增长率105%，快过05年66%的同比增长速度。实际发展将超规划根据国家发改委制定的风电发展中长期规划目标，“十一五”末期，风电装机要达到500万千瓦，到2020年，中国利用风能发电将由目前的260万千瓦上升至3000万千瓦。从近两年全球以及国内风力发电的增长情况看，国内的风力发电装机将有可能在近几年以50%以上的速度增长，发改委制定的规划目标将提前完成，实际上，06年中国被世界公认为是出人意料地高速发展，从而导致亚洲市场超出预期。近期，发改委可再生能源代表团考察欧洲风电后认为：“我国风电发展目标可能偏低。按欧盟经验，结合我国实际，我国风电装机2010和2020年分别达到1000万千瓦和8000万千瓦是完全有可能的。如果有关政策能进一步调整完善，落到实处，2020年有希望超过1亿千瓦或1.2亿千瓦”。根据目前增速情况，平安证券行业分析师预测“十一五”后几年，我国风电装机年增速预计不低于40%，近10年应不低于30%。风能除蕴藏量丰富之外，还具有可以再生、永不枯竭、清洁无污染等众多优点，另一方面，风能也具有风能密度低、风力不稳定、风能分布地区差异大、面临一定环境问题等缺点：1、风能密度低这是风能的一个重要缺陷，由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小，给其利用带来一定的困难。2、风力不稳定由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。正是由于风力的这一特性，造成了风机利用小时数明显低于水电或火电机组。我国风电场的利用小时数一般为2300-2700小时/年，部分地区能够达到3100小时/年。3、风能分布地区差异大由于地形的影响，风力的地区差异非常明显。邻近的区域，有利地形下的风力往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。因此，风电场的选址非常重要。4、环境问题风电最大的环境问题主要有噪音、观瞻、鸟类三个方面。1台1兆瓦的风机，在方圆300米内的噪音是45分贝。有一些人坚持认为风电有碍观瞻。尽管缓慢转动的叶片很少伤及鸟类，但是在候鸟大批经过时难免发生事故。针对风能的以上优缺点，随着科学技术的不断发展，人们对风机使用的要求也愈来愈高，就目前国外风机技术发展趋势而言，将朝着风机容量不断增大、高效化、高速小型化和低噪音方向发展。风机技术发展趋势及竞争格局相对于其他的能源，风电是一种新的技术。不过，现代风电场已具备成熟的技术，建造过程相对简单，而其设计和运营却相对复杂。图3：风机主要组成结构资料来源：《风力广东》这一行业用到了多种发展成熟的科学技术，包括航空设计、重型钢板工程学、玻璃和木材的环氧化合物（用于飞机、轮船和汽车）以及电场检测和控制等。经过多年的应用及发展，带有三叶片、带变速驱动器、偏航轴承的风机成为当今的主流。风电技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：图4：风机配置技术发展趋势资料来源：《风力广东》1、风力发电机组的单机容量继续增大20年前，风电机组单机容量仅为25千瓦，今天商业化机组的容量一般为750-2500KW。未来海上机组的容量将更大，目前德国已经生产出5MW的机组，10MW以上的机组正在研发中。2、海上风电悄然兴起海上风电场是国际风电发展的新领域。开发海上风电场的主要动机是因为海上风速更高且更易预测，海上风电场的发电量比陆地高出20%-40%。且随着风力发电的迅速发展，土地资源稀缺性已经有所显现。目前，国家发展改革委核准的海上风电场——上海东海大桥10万千瓦海上风电场项目已经开工建设，计划于2009年建成投产。中国海洋石油总公司（CNOOC，简称：中海油）将在2007年底前在渤海湾建设海上风力发电机组，这是中海油在可再生能源利用领域的战略性投资项目之一。3、变桨和变速更具发展优势因为变桨距调节提供了更好的输出功率品质，因此变桨距调节是大型风力发电机的最佳选择。而通过控制发电机的转速，能够使风力发电机的叶尖速比接近最佳值，提高风力发电机的运行效率。4、直接驱动和混合驱动技术的市场份额迅速扩大齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，同时是造成机械故障的主要原因，而且为了减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本，但却有效地提高了系统的效率以及运行可靠性。因此，直接驱动和混合驱动技术的市场份额迅速扩大。叶片风机叶片用复合材料制成。传统的叶片用玻璃聚酯制成，最近玻璃环氧物更受欢迎，而碳纤维却倍受新的大型风机的青睐。在技术上，为了跟主流市场的风机叶片竞争，风电场需要大量的碳纤维。风能对碳纤维的充分利用，将使得风电场成为碳纤维材料最大的专一市场。丹麦的LMClasfiber公司是全球领先的变浆距风机叶片的生产商。它生产的的风机叶片大约占全球市场的45%。它的11家制造厂分布在丹麦、西班牙、印度、中国以及美国。丹麦的LM公司2001年在天津投资成立了专门生产风力发电机叶片的独资企业—艾尔姆玻璃纤维制品（天津）有限公司，作为中国第一家跨国叶片制造工厂。伴随近两年来中国风能市场的急剧发展和实际需求，LM公司对天津工厂追加了投资，其叶片规格由原来的最长34米调整到37米，主要用于中国未来主流机型1.5兆瓦风力发电机的装配。风力发电设备领域世界第一的丹麦Vestas集团在天津泰达开发区设立风机叶片生产厂。该工厂投资额约3000万美元，生产长度为39米的V80型2兆瓦风机叶片。Enercon是德国的风力机组整机制造商，其制造的大型风力机E-112，容量4.5兆瓦，叶片长54米，重20吨。目前，该公司也有意进入中国风力机组及叶片市场。此外，西班牙的GAMESA公司也是国际著名的风力设备和叶片生产商，目前也已决定在中国设厂，包括叶片制造。位于河北保定市的中航（保定）惠腾风电设备有限公司是一家中美合资经营的企业，由保定惠阳航空螺旋桨制造厂、中国航空工业燃机动力（集团）公司和美国美腾能源集团三方投资兴建。该公司主要开发、制造风机叶片以及风机相关的玻璃纤维增强复合材料（GRP）。惠腾成立于2001年，年生产规模可达300套600KW风机叶片和200套750KW风机叶片。目前，公司开发的1.2MW风机叶片模型已经下线，不久将运往风电场投入试用。1.3MW的风机叶片的开发已纪完成，并且首批叶片模型已经下线。机舱机舱包括了驱动系统、多种电力设备以及其它部分的所有机械部件。齿轮箱对风电产业来说，机舱内的齿轮箱是定制的，包括钢性箱体、轴承、齿轮和转轴。风力发电机组对此轮箱的要求比较高，一般齿轮箱很难满足风力发电机组的要求。主要表现为：1、长寿命，一般要求无检修寿命大于10万小时；2、低噪音，1米处的噪音的声功率不得大于75分贝；3、动载系数大。欧洲最大的齿轮箱供应商Winergy（前身为Flender）目前专为风电产业服务。2005年6月，Winergy被西门子收购，在此之前西门子已经收购了丹麦风机制造商Bonus公司。风机齿轮箱的其他主要供应商还包括Hansen、Moventas（前身为Metso）、Lohermann&Stolterfoht和Eickhoff。除了西门子，另外两家风机制造商西班牙的Gamesa和日本的三菱重工，都能自行生产齿轮箱。我国现有杭州齿轮传输线箱厂、重庆齿轮箱厂和南京高速齿轮箱厂在开发生产风机齿轮箱，目前已经具备600-1000KW风机齿轮箱的生产能力。在国家863计划的支持下，重齿一直在进行1.3、1.5MW齿轮箱的开发。发电机新一代的直驱动式风机可以省略齿轮箱。这种直驱式风机的特点是使用永磁发电机，这需要铁酸盐和稀土磁体的供应。因此，永磁发电机将成为吸引中国企业的投资热门。目前，金风科技已经启动了这项研究。除了直接的驱动器，风机的发电机在功能和设计上最接近于常规的发电机。发电机用铁心硅钢、铜和绝缘材料制造，每台风机也有一台符合整个电力行业标准的变压器。我国现有电机厂有能力开发高效、高可靠性、双速双绕组的风力发电机。上海电机厂、湘潭电机厂、兰州发电机厂、杭州发电设备厂、山西永济电机厂已经批量生产600-750KW风力发电机。目前，各电机制造公司正在开发兆瓦级的风力发电机。控制系统浙江机电院在200KW风力发电机组中自主开发成功基于P-D现场总线的控制系统。目前，我国完全掌握了定桨距调节的大型风力发电机（包括600KW、750KW）的控制系统的设计与制造。同时，新疆金风、中科院电工所开发成功基于工控机和PLC的600KW风力发电机组的控制器并已批量生产。但我国企业对变桨距风力发电机组和变速恒频控制器的设计生产尚在技术开发阶段，尤其是基于IGBT的变频技术，尚需引进、消化、吸收及自主创新。表1：我国风机零部件生产企业资料来源：联合证券金属结构件风力发电机的金属结构件主要有：机舱、塔架、主轴、偏航系统和轮毂等。我国许多厂家均能生产这些部件。现在已参与生产这些部件的厂家有：杭州重型机器厂、第一拖拉机厂、西安航空发动机厂、鞍山铁塔厂、上海泰胜、中航总408厂、大连重工、太原重型机器厂和上海泰胜电力工程机械厂等。这些企业不仅满足了我国主机厂的需求，还大量为国外主机厂配套出口。出口兆瓦级风力发电机组的部件有塔架、轮毂、机舱底盘等。整机制造大功率机组是技术发展趋势上世纪末，风电机组主流规格在欧洲是750kW，在美国是500kW。到2002年前后，主流机型已经达到1.5MW以上。1997年兆瓦级机组占当年世界新增风电装机容量的9.7%，2001年占到了52.3%，2003年占到了71.4%，2004年占到了85.6％。随着海上风电场的建设，需要单机容量更大的机组，欧洲3.6MW机组已批量安装，4.2、4.5和5MW机组也已安装运行。大型化、变速运行、变浆距及无齿轮箱是世界风电设备发展的新趋势。目前，单机容量最大的风电机组是德国Repower公司生产的容量为5兆瓦的机组。由于陆上风机受运输、安装等条件的限制，单机容量2MW是发展的极限，这主要是因为达到2MW后，桨叶长度将达到60-70m，陆上运输极为困难，安装用的吊车容量将超过1200-1400T。图5：风机技术发展趋势资料来源：WWEA全球市场占有率相对集中经过多年的整合，国际风力发电设备制造企业竞争格局已初步成型，呈现了强者恒强的格局，优势企业的市场占有率不断上升。2005年，全球范围内25个风电设备供货商，前十大企业占据了95%以上的市场份额，另外15个公司仅仅占据了不到5%的份额。图6：2005年全球十大风电设备制造商市场份额资料来源：WWEA而前十大企业中，前四大生产厂商就占据了80%的市场份额。排名第一名的丹麦VESTAS，占有34.1%的市场份额，第二名西班牙GAMESA